近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所微創中心研究員王磊團隊在基于布拉格光柵光纖傳感原理在微創手術的應用——活體組織觸診的研究中實現了活體組織的精準力信息反饋和腫塊信息的定位檢測功能。相關研究成果以Development of a Fiber Bragg Grating-based Force Sensor for Minimally Invasive Surgery ―Case Study of Ex-vivo Tissue Palpation為題，發表在IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement上。
隨著醫(yi)療技術(shu)的(de)(de)(de)(de)快速(su)發展，微(wei)(wei)創(chuang)手(shou)術(shu)（MIS）逐(zhu)漸(jian)成(cheng)為現(xian)實(shi)。但(dan)是，傳(chuan)統(tong)(tong)手(shou)術(shu)中(zhong)(zhong)發現(xian)的(de)(de)(de)(de)一些問題(ti)仍與MIS有關。例如(ru)，在(zai)(zai)進(jin)行微(wei)(wei)創(chuang)外(wai)科(ke)手(shou)術(shu)期間(jian)，醫(yi)護人(ren)(ren)員會暴露在(zai)(zai)手(shou)術(shu)室中(zhong)(zhong)發現(xian)的(de)(de)(de)(de)放射線和(he)整形外(wai)科(ke)危害中(zhong)(zhong)。引入機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)輔助微(wei)(wei)創(chuang)手(shou)術(shu)的(de)(de)(de)(de)技術(shu)成(cheng)為了比傳(chuan)統(tong)(tong)微(wei)(wei)創(chuang)手(shou)術(shu)更好的(de)(de)(de)(de)替(ti)代方(fang)案；然(ran)而，機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)輔助手(shou)術(shu)過(guo)程中(zhong)(zhong)伴隨著外(wai)科(ke)醫(yi)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)觸(chu)(chu)覺喪失。外(wai)科(ke)醫(yi)生(sheng)通過(guo)操作機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)來(lai)進(jin)行微(wei)(wei)創(chuang)手(shou)術(shu)，手(shou)術(shu)期間(jian)醫(yi)生(sheng)無法(fa)直接(jie)接(jie)觸(chu)(chu)人(ren)(ren)體組織(zhi)(zhi)并且(qie)分析人(ren)(ren)體器(qi)(qi)(qi)官(guan)，因(yin)此(ci)無法(fa)保證所進(jin)行的(de)(de)(de)(de)手(shou)術(shu)的(de)(de)(de)(de)可靠性。在(zai)(zai)傳(chuan)統(tong)(tong)手(shou)術(shu)過(guo)程中(zhong)(zhong)，醫(yi)生(sheng)通過(guo)觸(chu)(chu)覺去感知器(qi)(qi)(qi)官(guan)的(de)(de)(de)(de)異常(chang)情(qing)況(kuang)，進(jin)而判斷器(qi)(qi)(qi)官(guan)中(zhong)(zhong)是否存在(zai)(zai)腫(zhong)瘤(liu)和(he)腫(zhong)塊。但(dan)隨著醫(yi)療機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)普及，這種可獲得的(de)(de)(de)(de)觸(chu)(chu)覺信(xin)息(xi)(xi)尚(shang)未有效集(ji)成(cheng)到機器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)輔助的(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)創(chuang)手(shou)術(shu)中(zhong)(zhong)，因(yin)此(ci)要求機器(qi)(qi)(qi)需要具有更高精確度和(he)靈敏(min)度的(de)(de)(de)(de)觸(chu)(chu)覺信(xin)息(xi)(xi)反饋。深圳先(xian)進(jin)院科(ke)研人(ren)(ren)員在(zai)(zai)此(ci)基(ji)礎(chu)上提(ti)出一種用于微(wei)(wei)創(chuang)手(shou)術(shu)組織(zhi)(zhi)觸(chu)(chu)診中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)高靈敏(min)度布拉格(ge)光柵光纖（FBG）傳(chuan)感方(fang)案，與以往的(de)(de)(de)(de)電(dian)容(rong)式傳(chuan)感方(fang)案不同，光纖傳(chuan)感器(qi)(qi)(qi)與手(shou)術(shu)期間(jian)的(de)(de)(de)(de)磁共振(MR)系統(tong)(tong)和(he)成(cheng)像(xiang)系統(tong)(tong)兼容(rong)。
為此，研究設(she)計了用(yong)(yong)于微(wei)創手(shou)術的(de)(de)(de)一(yi)(yi)維遠端力(li)(li)傳(chuan)感(gan)(gan)器。其(qi)中，傳(chuan)感(gan)(gan)器結(jie)(jie)構(gou)中嵌有(you)(you)雙光(guang)(guang)柵元件(jian)(jian)(jian)(jian)可用(yong)(yong)于解(jie)耦傳(chuan)感(gan)(gan)器在(zai)(zai)使用(yong)(yong)過程中受到(dao)的(de)(de)(de)應(ying)變和溫度(du)交(jiao)叉(cha)影響，實(shi)現更精(jing)(jing)準的(de)(de)(de)力(li)(li)覺檢測。研究中，科研人員基于雙光(guang)(guang)柵元件(jian)(jian)(jian)(jian)結(jie)(jie)構(gou)設(she)計出(chu)發，推導出(chu)相應(ying)的(de)(de)(de)柔(rou)(rou)(rou)性結(jie)(jie)構(gou)理(li)論模型(xing)。通過fmincon函數(shu)(shu)對(dui)(dui)(dui)柔(rou)(rou)(rou)性件(jian)(jian)(jian)(jian)進(jin)行(xing)了基于物理(li)模型(xing)的(de)(de)(de)優(you)化設(she)計，確定(ding)(ding)了結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)關鍵(jian)參數(shu)(shu)。采用(yong)(yong)有(you)(you)限元法(fa)對(dui)(dui)(dui)柔(rou)(rou)(rou)性件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)靜態和動態特性進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)，在(zai)(zai)理(li)論基礎上驗(yan)(yan)證了該柔(rou)(rou)(rou)性件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)可行(xing)性。為了進(jin)一(yi)(yi)步提高傳(chuan)感(gan)(gan)器性能，并基于前(qian)饋神經網絡(luo)(luo)對(dui)(dui)(dui)數(shu)(shu)據(ju)進(jin)行(xing)標(biao)定(ding)(ding)，該網絡(luo)(luo)模型(xing)可精(jing)(jing)準預測力(li)(li)與波長(chang)偏移量(liang)的(de)(de)(de)關系。研究還進(jin)行(xing)了溫度(du)補(bu)償實(shi)驗(yan)(yan)，驗(yan)(yan)證了雙光(guang)(guang)柵元件(jian)(jian)(jian)(jian)能夠(gou)有(you)(you)效的(de)(de)(de)進(jin)行(xing)溫度(du)解(jie)耦方案(an)。實(shi)驗(yan)(yan)結(jie)(jie)果表明，FBG傳(chuan)感(gan)(gan)器能夠(gou)在(zai)(zai)1N范圍(wei)內(nei)感(gan)(gan)知力(li)(li)值(zhi)，平均相對(dui)(dui)(dui)誤(wu)(wu)差小于滿(man)量(liang)程的(de)(de)(de)2%；溫度(du)補(bu)償后(hou)的(de)(de)(de)誤(wu)(wu)差0.8 mN。科研人員進(jin)一(yi)(yi)步對(dui)(dui)(dui)豬肝器官(guan)進(jin)行(xing)組(zu)織觸(chu)診(zhen)實(shi)驗(yan)(yan)，驗(yan)(yan)證所提傳(chuan)感(gan)(gan)器設(she)計在(zai)(zai)微(wei)創手(shou)術中的(de)(de)(de)有(you)(you)效性和適用(yong)(yong)性。
研(yan)究實(shi)現了(le)組(zu)織觸(chu)診中(zhong)器官腫塊信息的(de)(de)精準力反(fan)饋(kui)和定位檢(jian)測，并提(ti)出了(le)新型(xing)的(de)(de)溫度解耦方案(an)和傳感器標定方法(fa)，為微(wei)創手術(shu)中(zhong)手術(shu)機(ji)(ji)器人(ren)的(de)(de)觸(chu)覺信息檢(jian)測提(ti)供了(le)有效(xiao)技術(shu)路線(xian)，有望推動手術(shu)機(ji)(ji)器人(ren)在介(jie)入(ru)式醫(yi)療(liao)中(zhong)的(de)(de)手術(shu)路徑導(dao)航(hang)和機(ji)(ji)器控制中(zhong)的(de)(de)應用。
研究(jiu)工作得到(dao)國家自然科(ke)學基(ji)金、深(shen)圳市科(ke)技(ji)計(ji)劃等的資助。
圖1.FBG傳感器的三維圖
圖2.FBG傳感器用于組織觸診檢測實驗圖和數據1FBG傳感器用于組織觸診檢測實驗圖和數據
